Chương 1 TỔNG QUAN VỀ CỘT CFT VÀ LIÊN KẾT VỚI SÀN PHẲNG
1.1. Cột ống thép nhồi bê tông
Cột CFT là cấu kiện kết cấu liên hợp gồm vỏ ống thép và bê tông lõi cùng làm việc chung (Hình 1.1). Cột CFT ngày càng được sử dụng rộng rãi do có nhiều ưu điểm hơn so với cột thép và cột BTCT truyền thống về mặt kết cấu, thi công và kiến trúc như sau [34]:
− Hiệu quả về mặt kết cấu:
+ Sự tương tác giữa ống thép và lõi bê tông: Lõi bê tông giúp giảm nguy cơ xảy ra mất ổn định cục bộ và hạn chế sự suy giảm cường độ sau khi mất ổn định cục bộ của ống thép; Cường độ chịu nén của bê tông được tăng lên do hiệu ứng bó lõi bê tông của ống thép và sự suy giảm cường độ của lõi bê tông cũng không xảy ra đột ngột do có vỏ thép ngăn sự nứt tách của bê tông; Những điều trên làm tăng cường độ, độ dẻo dai và khả năng hấp thu năng lượng khi chịu động đất của cấu kiện;
+ Sự co ngót và từ biến của bê tông nhỏ hơn nhiều so với BTCT thông thường;
+ Khả năng chống va đập của bề mặt cột cao.
− Hiệu quả về mặt thi công: Ống thép làm kiêm nhiệm vụ cốp pha và thường không cần cốt thép; Thông thường cột ống thép được thi công trước để tạo hệ kết cấu chắc chắn và ổn định thì bê tông mới được bơm nhồi vào nên có thể đẩy nhanh tốc độ thi công và giảm chi phí làm sạch công trường.
− Khả năng chống cháy: Tốt hơn cột thép do có lõi bê tông ngăn cản sự tăng nhiệt của vỏ thép khi chịu lửa.
− Cột CFT tiết diện nhỏ gọn nên tiết kiệm không gian sử dụng và cấu kiện thanh mảnh nên có tính thẩm mỹ cao.
a) Cột vuông, chữ nhật b) Cột tròn Hình 1.1: Cấu tạo điển hình của cột ống thép nhồi bê tông
Phân loại
Cấu tạo của cột CFT rất đa dạng. Dựa vào hình dạng và cấu tạo của mặt cắt ngang, cột CFT được phân loại như sau:
Cột CFT đặc
Cột CFT đặc là loại cột CFT điển hình có cấu tạo gồm ống thép tiết diện rỗng hình tròn, hình vuông, hình chữ nhật được nhồi bê tông đặc [17]. Trong một số trường hợp do yêu cầu về mặt kiến trúc và cần có sự chịu lực khác nhau theo hai phương, tiết diện ống thép có thể là hình đa giác, ô-van hay e-lip như Hình 1.2.
Hình 1.2: Cấu tạo cột CFT đặc [17]
Trong các trường hợp trên, cột tròn có tác động bó lõi bê tông tốt nhất trong Lõi bê tông
Vỏ thép
Ống thép
Bê tông
Ống thép
Bê tông
Ống thép
Bê tông Ống thép
Bê tông
Ống thép
Bê tông Bê tông Ống thép
khi sự mất ổn định cục bộ dễ xảy ra đối với cột tiết diện vuông hoặc chữ nhật.
Cột CFT mặt cắt rỗng
Cột CFT mặt cắt rỗng có 2 lớp vỏ thép bọc mặt ngoài và mặt trong, kẹp ở giữa là lớp lõi bê tông (Hình 1.3). Dạng cột này có khả năng chịu lực, độ cứng kháng uốn, độ dẻo dai và khả năng chống cháy cao hơn so với cột CFT đặc, phù hợp với dạng cột có tiết diện ngang lớn. Chiều dày vỏ và trọng lượng bản thân của cấu kiện loại này cũng nhỏ hơn so với cột CFT đặc. Thêm nữa, các loại vật liệu khác nhau có thể được sử dụng cho loại cột này để đảm bảo tính thẩm mỹ và khả năng chống ăn mòn, ví dụ ống thép ngoài có thể dùng thép không gỉ trong khi ống thép trong vẫn dùng thép thông thường [17].
Hình 1.3: Cấu tạo cột CFT mặt cắt rỗng [17]
Cột CFT được bọc BTCT
Cột CFT được bao bởi BTCT có cấu tạo gồm ống thép nhồi bê tông đặt bên trong cột BTCT truyền thống (Hình 1.4). Ống thép đặt chìm ở phía trong sẽ làm tăng sự bó lõi của bê tông bên trong và làm tăng khả năng chịu lực của cột. Phần BTCT bọc bên ngoài tạo thành lớp chống cháy cho phần cột CFT bên trong làm cho khả năng chống cháy của loại cấu kiện này tốt hơn cột CFT thông thường. Loại cột này có thể liên kết dễ dàng với sàn phẳng BTCT hay sàn sườn BTCT hay dầm thép [17].
Hình 1.4: Cấu tạo cột CFT được bọc BTCT [17]
Ống thép Bê tông
Ống thép
Bê tông Bê tông Bê tông
Cốt thép Cốt thép
Ống thép
Cột CFT có gia cường bằng cốt thép, cốt cứng và sườn tăng cứng Việc gia cường cốt thép và cốt cứng nằm bên trong ống thép (Hình 1.5) làm tăng khả năng chịu lực của cột mà không làm thay đổi dạng tiết diện của cột. Trường hợp cột có tiết diện lớn hoặc có vỏ thép thành mỏng làm bằng thép cường độ cao cần bố trí các sườn tăng cứng, có thể hàn bên trong ống theo phương dọc trục hoặc hàn vuông góc tiết diện ống, giúp giảm nguy cơ ổn định cục bộ của ống thép và làm tăng thêm độ dẻo dai của cột [17].
Hình 1.5: Cấu tạo cột CFT được gia cường bằng cốt thép, cốt cứng (thép hình) và sườn tăng cứng [17]
Một số công trình sử dụng cột CFT
Cột CFT có nhiều ưu điểm nên được sử dụng thay thế cho cột BTCT và cột thép truyền thống trong giải pháp kết cấu công trình ở các nước như Anh, Nhật Bản, Trung Quốc, Việt Nam… cho nhà dân dụng và công nghiệp, ga điện ngầm, tháp điện cao thế, cột điện, cầu… Sau đây sẽ trình bày một số công trình nhà tiêu biểu.
Tòa nhà Fleet Place House (Anh)
Tòa nhà phức hợp Fleet Place House ở nước Anh gồm 8 tầng (Hình 1.6) sử dụng cột ống thép tròn nhồi bê tông với đường kính ngoài của ống thép là 323.9 mm.
Độ dày của thành ống thép của tầng 1 là 30 mm, tầng 2 đến tầng 6 là 16 mm và các Ống thép
Bê tông
Ống thép bên trong
Cốt thép Sườn tăng cứng
Cốt cứng
Ống thép
Bê tông
tầng còn lại là 12.5 mm. Bê tông được sử dụng có cấp độ bền từ B40 đến B60 [34].
Hình 1.6: Tòa nhà Fleet Place House [34]
Tòa nhà Queensberry House (Anh)
Tòa nhà văn phòng thương mại Queensberry House ở nước Anh gồm 6 tầng (Hình 1.7) với bước cột 6 m và nhịp của công trình là 12 m. Tòa nhà sử dụng cột ống thép tròn nhồi bê tông mặt cắt rỗng với ống thép ngoài có đường kính ngoài là 457 mm và chiều dày là 10 mm, ống thép trong có đường kính ngoài là 323.9 mm và chiều dày là 6.3 mm [34].
Hình 1.7: Tòa nhà Queensberry House [34]
Tòa nhà Strong Building (Nhật)
Tòa nhà Strong Building gồm 8 tầng (Hình 1.8) sử dụng giải pháp kết cấu gồm cột tròn ống thép nhồi bê tông và sàn phẳng BTCT được xây dựng ở thành phố Kobe của Nhật với diện tích sàn là 6593 m2.
Hình 1.8: Tòa nhà Strong Building
(Nguồn http://www.takenaka.co.jp/takenaka_e/projects/retail/a43500142005.html)